Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Проблемы современного этапа отечественной теплофикации


Шарапов В. И., профессор, докт. техн. наук

 Ульяновский государственный технический университет (УлГТУ), Россия


Материалы Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции», 23 – 25 ноября 2005, МГСУ


Теплофикация, т.е. централизованное теплоснабжение на базе выработки электричества и теплоты на ТЭЦ, подвергается критике, прежде всего, - из-за больших потерь при транспорте теплоты. Рассмотрены зарубежный опыт теплофикации, позволивший западным странам преодолеть энергетический кризис 70-80-х годов, и проблемы, снижающие эффективность отечественной теплофикации. Предложены решения, позволяющие повысить эффективность теплофикации, в частности, новые технологии регулирования нагрузки и обеспечения пиковой тепловой мощности систем теплоснабжения, технологии защиты оборудования и сетей от внутренней коррозии.


В 2003 г. в России отмечено столетие теплофикации, т. е. централизованного теплоснабжения на базе комбинированной выработки электричества и теплоты. Достижения отечественной науки и техники в теплофикации широко признаны, используются во всем мире и никем не оспариваются. Это  – с одной стороны. С другой стороны – в стране острый кризис теплоснабжения, что так же всеми признается.

Попытаюсь изложить свое представление о некоторых проблемах современного этапа развития теплофикации.

Идея перехода от децентрализованных отопительных установок к теплофикации родилась в поисках путей повышения энергетической эффективности теплоснабжения. Термодинамические преимущества комбинированной выработки электричества и теплоты абсолютны и не подвергаются сомнению. Возможность существенного практического повышения эффективности топливоиспользования за счет теплофикации убедительно доказана как многолетней практикой советской энергетики, так и опытом западных стран. За рубежом теплофикация получила распространение в 70-80-е годы, когда с ее помощью был преодолен острый энергетический кризис. К середине 80-х годов в ФРГ эксплуатировались около полутора сотен ТЭЦ с теплофикационными турбоустановками большой единичной мощности (до 400 МВт электрической мощности и 465 МВт тепловой мощности отопительных отборов).

Тем не менее, в последние 10-15 лет все чаще приходится сталкиваться со скептицизмом в отношении к теплофикации. Скептицизм этот растет не только в России, но и в странах Запада. Экономические предпосылки в России и на Западе у такого скептицизма общие, хотя характер проявления этих предпосылок и, самое главное, практические выводы из них у нас и за рубежом сильно отличаются.

Об общих предпосылках. Одним из обобщающих показателей экономической эффективности энергоснабжения является стоимость энергии, полученной потребителем. Степень термодинамического совершенства производства электричества и теплоты и эффективность топливоиспользования далеко не в полной мере определяют эту стоимость.

В рыночных условиях потребителю не так важно знать, сколько топлива затрачено на производство единицы энергии, но очень важно – сколько должен он заплатить за эту единицу. И если окажется, что килокалория, килоджоуль или BThU (британская тепловая единица), произведенные термодинамически эффективным способом на ТЭЦ, окажутся для него дороже, чем предлагаемые потребителю такие же количества теплоты, выработанные с огромными потерями эксергии и с более высокими удельными расходами топлива в котельной, потребитель предпочтет получать теплоту от котельной. Так вот, скептицизм в отношении теплофикации и в России, и на Западе связан именно с этим обстоятельством: теплота и электричество, поставляемые от ТЭЦ, нередко стоят дороже, чем энергоресурсы, предлагаемые раздельными энергоисточниками.

Почему же теплота, вырабатываемая на ТЭЦ с меньшими удельными расходами топлива, может оказаться для потребителя дороже теплоты, отпускаемой котельной?

Общие для отечественных и зарубежных ТЭЦ причины удорожания теплоты связаны, прежде всего, со значительными  капитальными затратами на сооружение и обслуживание как собственно ТЭЦ, так и подключенных к ним крупных систем централизованного теплоснабжения. Например, удельные капитальные затраты на сооружение и эксплуатацию (исключая затраты на топливо) ТЭЦ с оборудованием на повышенные параметры пара существенно превышают затраты на небольшую водогрейную котельную или паровую котельную низкого давления. Чем крупнее система теплоснабжения, тем больше удельные затраты на транспорт теплоносителя.

В 70-80-е годы, когда правительства стран Запада приняли беспрецедентно жесткие, по существу, тоталитарные меры по сокращению топливопотребления, теплофикационные системы развивались при активной государственной поддержке, что соответствовало политике национальной энергетической, а значит, и экономической безопасности. В последние годы, судя по выступлениям представителей европейских стран на Общероссийском совещании по проблемам теплоснабжения, проведенном 22-23 мая 2003 г. в Минэнерго РФ, в этих странах все чаще ставится вопрос о либерализации энергетической политики [1]. Под либерализацией подразумевается, прежде всего, ослабление государственного протекционизма по отношению к крупным теплофикационным системам.

Следует, однако, отметить, что правительства европейских стран не спешат расстаться с таким протекционизмом по двум причинам. Во-первых, выработка теплоты и электричества с минимальными удельными расходами топлива на теплофикационных установках по-прежнему соответствует политике национальной экономической безопасности (даже при наличии источников теплоснабжения, равно или более экономичных по другим составляющим). Во-вторых, теплофикационная выработка электричества и теплоты в любом случае снижает выбросы продуктов сгорания топлива и других вредных веществ в окружающую среду, т. е. соответствует национальной экологической безопасности.

Именно поэтому, например, Федеральное Правительство Германии предполагает увеличить в ближайшие годы комбинированную выработку электричества и теплоты в 2,4 раза [2]. Правительство Германии стало инициатором принятия закона о содействии развитию когенерирующих (теплофикационных) мощностей и  закона об экологическом налоге, которым предусмотрено освобождение от этого налога электроэнергии, произведенной на ТЭЦ, и взимание такого налога (0,02 $/(кВт.ч)) на электроэнергию от конденсационных электростанций [1]. Весьма показательно, что название одной из важнейших тем проекта по развитию теплоснабжения, одобренного Европейским Союзом, звучит как «централизация вместо децентрализации» [3].

В России ослабление государственного влияния на экономику, отсутствие национальной энергетической и экологической политики крайне отрицательно сказались на судьбе теплофикационных систем. Резко снизилась выработка теплоты и электричества на ТЭЦ, ухудшились технико-экономические показатели теплофикации. Теплофикационные системы большинства наших городов переживают острый кризис.

Первопричиной этого кризиса, безусловно, стала общая дезорганизация экономики страны в 90-е годы. Ее можно было бы считать причиной субъективной, однако ее последствия, в частности, расхищение государственной собственности, резкое удорожание топлива, для энергетики и страны в целом стали вполне объективной реальностью. Эта реальность обусловила специфические черты кризиса отечественной теплофикации.

Техническое состояние большинства крупных отечественных теплофикационных систем в настоящее время не позволяет в полной мере реализовать их термодинамические преимущества перед энергетическими системами с раздельной выработкой электричества и теплоты. РАО «ЕЭС России» с момента своего возникновения не считало ТЭЦ выгодным приобретением (в начале 90-х годов ряд руководителей РАО считал, что ТЭЦ надо бы вообще отдать муниципалитетам). Средств на капитальный ремонт и обновление оборудования ТЭЦ выделялось крайне мало. В результате на многих ТЭЦ обветшавшее оборудование не может работать с проектными показателями. Так, на Ульяновской ТЭЦ-1 трубные системы конденсаторов и сетевых подогревателей турбин изношены, частично заглушены, верхние сетевые подогреватели ряда турбин несколько лет не включались в работу. 

В последние 10-14 лет происходит активное вытеснение ТЭЦ с отечественного рынка теплоснабжения. Помимо ухудшения технического состояния ТЭЦ, а, значит, и их конкурентоспособности, такому вытеснению способствует ряд других обстоятельств.

В частности,  РАО «ЕЭС России» проводит откровенно дискриминационную политику по распределению электрической нагрузки между ТЭЦ и конденсационными электростанциями: предпочтение отдается ГРЭС, полностью принадлежащим РАО. Это приводит, например, к тому, что на Ульяновской ТЭЦ-1 тепловая нагрузка в зимнее время в течение многих лет покрывается за счет водогрейных котлов при наличии значительного резерва производительности паровых котлов и тепловой мощности отопительных отборов турбин. ТЭЦ-1 понемногу превращается в котельную, причем плохую, поскольку затраты на собственные нужды у нее значительно выше, чем у малых котельных.

Во-вторых, к таким обстоятельствам относится потеря покупателей теплоты от теплофикационных систем из-за неумения и нежелания малопрофессиональных финансовых «топ-менеджеров» энергетических компаний искать с этими потребителями взаимоприемлемые решения по организации теплоснабжения. Одна из самых впечатляющих иллюстраций  этого непрофессионализма – полная потеря покупателей пара (1500 т/ч круглосуточно в течение года!) от Ново-Куйбышевской ТЭЦ-1 [4].

Неумение и нежелание финансового менеджмента работать профессионально проявляются, прежде всего, в недобросовестной тарифной политике энергетических компаний. Тарифы в большинстве регионов не имеют рационального обоснования, в частности, не основываются на независимом аудите энергетических компаний.

В-третьих, попытки энергетических компаний навязывать региональным властям политические и экономические условия путем сознательного ухудшения теплоснабжения, а, значит, и потери прибыли от теплофикации. В Ульяновске СМУЭК с этой целью несколько лет подряд отключает на многие месяцы горячее водоснабжение от открытых систем теплоснабжения, подключенных к ТЭЦ [4]. Всякий мало-мальски грамотный теплоэнергетик знает, что это самая выгодная для ТЭЦ тепловая нагрузка, обеспечиваемая в основном отработавшим паром турбин. 

В-четвертых, война олигархических ведомств РАО «Газпром» и РАО «ЕЭС России». Газпром не скрывает намерения продавать потребителям не газ, а теплоту и создал для этого ряд дочерних компаний, занимающихся проектированием, поставкой и монтажом газовых котельных преимущественно западного производства. С  целью вытеснения ТЭЦ с рынка теплоснабжения «Газпром» устанавливает для них заведомо заниженные лимиты потребления газа, которые ТЭЦ исчерпывают за два месяца отопительного периода. Дополнительное количество газа  поставляется по тройной цене, в результате чего стоимость 1 Гкал от ТЭЦ возрастает до 600 руб. Поскольку ни одно нормальное предприятие не может себе позволить покупать теплоту по такой цене, дочерняя фирма «Газпрома» предлагает предприятию построить для него котельную со стоимостью 1 Гкал 150-200 руб. Понятно, что для этой котельной все лимиты на газ будут льготными.

В-пятых, торговая экспансия западных производителей удобной и достаточно экономичной для раздельного энергоснабжения малой котельной техники: блочных квартальных, малых промышленных, крышных, поквартирных котельных, электроводонагревателей, инфракрасных излучателей и т. п. Отмечу, кстати, что с уменьшением мощности и децентрализацией  теплоисточников, как правило, существенно снижается и надежность теплоснабжения подключенных к ним потребителей, стало быть, в рыночных условиях должны адекватно учитываться и затраты на страхование риска при понижении надежности. В большинстве случаев при сравнении вариантов теплоснабжения этот вопрос не затрагивается и учитываются только сиюминутные затраты на реализацию вариантов.

Описание этих обстоятельств - размышления на вечную российскую тему «Кто виноват?». Гораздо важнее другой вечный российский вопрос: «Что делать?».

Ответ на этот вопрос тоже чисто российский – приоритеты национальной энергетической политики должно устанавливать государство, а не частные фирмы (однако даже либеральные европейцы сочли для себя этот ответ наиболее приемлемым) [4]. 

Роль государства должна заключаться не в контроле за теплоснабжением или в целом за энергоснабжением каждого населенного пункта, а в создании системы управления, гарантирующей высокую эффективность энергоснабжения. В первую очередь в рамках этой системы государством должны быть законодательно отрегулированы юридические отношения между теплоснабжающими организациями и потребителями теплоты. Целесообразно принятие закона о теплоснабжении [5].

Особое место в законе должно быть уделено энергетической эффективности теплоснабжения, в частности, должны быть установлены прозрачность тарифообразования, жесткие нормативы энергетических затрат на производство и транспорт теплоты, отражены экономические стимулы, фиксирующие приоритет теплофикации. К таким стимулам можно отнести введение налога на поставку теплоты от котельных и разных децентрализованных источников, а также введение другими актами налога на электроэнергию, выработанную конденсационным способом.

Для повышения эффективности отечественной теплофикации необходимо решение целого ряда научно-технических проблем. К важнейшим из них относятся радикальное снижения потерь теплоты в тепловых сетях и экономное расходование ее в абонентских системах. Здесь следует в полной мере использовать богатый зарубежный опыт.

Большие резервы совершенствования теплоисточников связаны с применением  газотурбинных и парогазовых установок и организацией комбинированной выработки электричества и теплоты в котельных путем превращения их в малые ТЭЦ при минимуме капитальных затрат.

Кроме того, назрела острая необходимость в реализации решений, позволяющих привести в соответствие с современными требованиями эксплуатацию систем теплоснабжения. Отечественные системы централизованного теплоснабжения проектировались, строились и эксплуатируются с учетом взглядов, сформировавшихся преимущественно в 30-50-е годы. К настоящему времени изменились многие технические и экономические факторы, лежащие в основе концепции отечественного теплоснабжения. В связи с этим требует  корректировки  целый ряд ее положений, например, принципов выбора структуры систем теплоснабжения, способов регулирования тепловой нагрузки и обеспечения пиковой мощности систем теплоснабжения. Весьма актуальна проблема повышения надежности отечественных систем теплоснабжения.

Кратко остановлюсь на работах кафедры ТГВ УлГТУ по этой тематике. Более подробно результаты исследований и разработок рассмотрены в докладах, которые представлены на конференцию ведущими научными сотрудниками кафедры.

О структуре систем теплоснабжения и способах обеспечения пиковой мощности. В большинстве крупных систем теплоснабжения базовая нагрузка покрывается паром отборов турбин, а пиковая – водогрейными котлами ТЭЦ. Транспорт на дальние расстояния теплоты, полученной  наиболее выгодным  теплофикационным способом, в большинстве случаев оправдан. Транспорт же теплоты от значительно менее эффективных пиковых водогрейных котлов приводит к увеличению потерь теплоты и затрат на ее транспорт. Нами доказано, что в современных условиях, при наличии высокоэкономичной техники для автономного теплоснабжения, рационально с помощью ТЭЦ покрывать только базовую тепловую нагрузку, а пиковую мощность обеспечивать автономными источниками [6, 7, 8].  Такое комбинированное теплоснабжение позволяет обеспечить работу ТЭЦ с максимальной экономичностью, при коэффициенте теплофикации aТЭЦ=1, снизить потери теплоты в сетях, повысить качество теплоснабжения благодаря возможности каждого абонента самостоятельно выбирать момент включения пикового теплоисточника. Кроме того, существенно возрастает надежность теплоснабжения благодаря наличию структурного, функционального, нагрузочного, временного и системного резервирования. Разработана серия технологий, предусматривающих использование решения [6] при различных типах автономных пиковых источников теплоты.

О регулировании нагрузки систем теплоснабжения. Все существующие в настоящее время системы централизованного теплоснабжения спроектированы для реализации в них центрального качественного регулирования тепловой нагрузки. В работах [7, 8] нами показано, что в будущем неизбежно увеличение доли количественного регулирования нагрузки, а во многих случаях целесообразно применение только этого вида регулирования. Разработаны технологии количественного и качественно-количественного регулирования, реализуемые на ТЭЦ и в системах теплоснабжения со стандартным отечественным оборудованием.

О повышении надежности систем теплоснабжения. Надежность оборудования и теплопроводов в значительной мере определяется интенсивностью внутренней коррозии, вызванной присутствием в теплоносителе – сетевой воде коррозионно-активных газов. На кафедре выполнен комплекс разработок, обеспечивающих надежную противокоррозионную обработку подпиточной воды теплосети и защиту деаэрированной подпиточной и сетевой воды от насыщения газами при ее хранении и транспорте к потребителю [9-12].

Экспериментальные исследования тепломассообменных аппаратов для противокоррозионной обработки воды и полученные на их основе математические многофакторные модели термической деаэрации и декарбонизации воды привели к созданию нового подхода к управлению деаэраторами и декарбонизаторами [9-11]. Основной отличительной чертой нового подхода является использование в качестве регулируемых параметров заданных показателей качества обработанной воды. Остальные изменяемые (регулирующие) параметры поддерживаются на необходимом и достаточном для выполнения этого условия уровне. Исключаются возможности работы аппаратов с недостаточными или, напротив, излишними энергетическими затратами.

За сравнительно небольшое время новый подход к управлению технологическими процессами водоподготовки получил признание и высокую оценку специалистов. Его авторы дважды награждались медалями Российской Академии наук и премиями международного энергетического концерна ASEA Brown Bowery. Серия изобретений, разработанных в рамках нового подхода, отмечена золотой медалью Всемирного салона изобретений «Брюссель-Эврика-2001» и специальным призом правительства Бельгии за наивысшую эффективность разработок, представленных на салоне.


Литература

1. Кохлер С. Доклад на Общероссийском совещании по проблемам теплоснабжения // Новости теплоснабжения, 2003, № 7. - с. 26.

2. Шнайдер Х. Доклад на Общероссийском совещании по проблемам теплоснабжения // Новости теплоснабжения, 2003, № 7. - с. 18,19.

3. Хациак З. Доклад на Общероссийском совещании по проблемам теплоснабжения // Новости теплоснабжения, 2003, № 7. - с. 19-20.

4. Шарапов В. И. Энергосбережение и энергетические компании // Энергосбережение и водоподготовка, 2003, № 3. - с. 12-15.

5. Шарапов В. И. Доклад на Общероссийском совещании по проблемам теплоснабжения // Новости теплоснабжения, 2003, № 7. - с. 22-23.

6. Патент № 2235249 (RU). МПК7 F 29 D 3/08. Способ теплоснабжения / В. И. Шарапов, М. Е. Орлов, П. В. Ротов, И. Н. Шепелев // Б.И., 2004, № 24.

7. Шарапов В. И., Орлов М. Е. Технологии обеспечения пиковой нагрузки систем теплоснабжения. - М.: Изд-во «Новости теплоснабжения», 2005. - 236 с.

8. Шарапов В. И., Ротов П. В. Регулирование нагрузки систем теплоснабжения. - М.: Изд-во «Новости теплоснабжения», 2005. - 208 с.

9. Шарапов В. И. Подготовка подпиточной воды систем теплоснабжения с применением вакуумных деаэраторов. - М.: Энергоатомиздат, 1996. - 176 с.

10. Шарапов В. И., Цюра Д. В. Термические деаэраторы. - Ульяновск: УлГТУ, 2003. - 506 с.

11. Шарапов В. И., Сивухина М. А. Декарбонизаторы водоподготовительных установок систем теплоснабжения. - М.: Изд-во АСВ, 2002. - 200 с.

12. Шарапов В. И., Ямлеева Э. У. Защита воды в системах теплоснабжения от вторичного насыщения коррозионно-агрессивными газами. - Ульяновск: УлГТУ, 2005. - 188 с.